4.5. Энергонезависимая память

В отличие от динамической и статической памяти, энергонезависимая память хранит записанную информацию при отсутствии питающего напряжения от сети, а постоянная память, как разновидность энергонезависимой памяти, не использует даже автономные источники питания. Основным режимом работы такой памяти является считывание данных. В зависимости от способов построения и программирования (репрограммирования) запоминающих ячеек, а также сфер применения различают следующие типы энергонезависимой памяти.

ROM (Read Only Memory – память только для чтения) – постоянная память, программируемая при изготовлении и в дальнейшем допускающая только считывание. Матрица накопителя постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) представляет собой набор вертикальных и горизонтальных линий, возможность наличия или отсутствия связей между которыми в местах их пересечения интерпретируется как запоминающий элемент. При этом, наличие связи ассоциируется с одним состоянием запоминающего элемента (например, «1»), отсутствие – с другим («0»). Роль элементов связи могут выполнять диоды или транзисторы, размещаемые в нужных точках пересечения на заключительном этапе изготовления микросхемы с помощью заказного фотошаблона (маски). Поэтому такую микросхему еще называют масочным ПЗУ.

По структурной организации матрицы накопителя и методам доступа к ней микросхемы ROM, как правило, относятся к архитектурам 2D и 2DM. Характерное для них время доступа составляет 30-70 нс.

Из-за невозможности модификации содержимого ROM не нашла широкого применения, ей на смену пришли микросхемы программируемой и репрограммируемой энергонезависимой памяти.

PROM (Programmable ROM) – постоянная память, программируемая после изготовления однократно на специальном программаторе перед установкой в целевое устройство (прожигаемые ПЗУ). Обладая аналогичными с ROM параметрами и возможностью программирования изготовителем целевого оборудования, эта память получила более широкое применение, в частности использовалась для хранения кодов BIOS.

Горизонтальные и вертикальные линии матрицы накопителя исходной микросхемы PROM во всех местах их пересечений соединены элементами связи (элементами памяти): диодами или транзисторами с включенными последовательно с ними перемычками. При использовании перемычек типа fuse (плавкий предохранитель) программирование «0» или «1» в элементе памяти осуществляется устранением (пережиганием) или оставлением без изменения соответствующей перемычки. Применение перемычек типа antifuse в виде тонких диэлектрических слоев наоборот предполагает их неизменность для логического «0» и пробой с образованием низкоомных сопротивлений – для «1». Возможен также вариант организации элемента связи в виде двух встречно включенных диодов. В исходном состоянии этот элемент эквивалентен разомкнутой цепи (хранит логический «0»). Запись логической «1» осуществляется воздействием на него повышенным напряжением, пробивающим обратно смещенный диод с образованием в нем короткого замыкания.

EPROM (Erasable PROM) – стираемая и программируемая многократно память с временем доступа в диапазоне 50-250 нс, представленная микросхемами:

• UV (Ultra-Violet) EPROM, стираемые ультрафиолетовым облучением;

• Е(Electrical)EPROM – электрически стираемые микросхемы.

В качестве запоминающих элементов микросхем EPROM используются МНОП- и ЛИЗМОП-транзисторы.

МНОП-транзистор (Метал-Нитрид-Оксид-Полупроводник), в отличие от обычного МОП-транзистора (МДП-транзистора), имеет двухслойный диэлектрик: верхний слой из нитрида кремния и нижний тонкий слой из двуокиси кремния. Граница диэлектрических слоев обладает свойством захватывать заряд, носители которого проходят сквозь тонкий слой двуокиси кремния под воздействием электрического поля (срабатывает туннельный эффект), создаваемого достаточно большим программирующим напряжением. Скопившийся заряд (отрицательный для транзистора с электронным каналом проводимости) определяет пороговое напряжение транзистора, открыть который в обычном рабочем режиме не представляется возможным. Это может ассоциироваться, например, с состоянием «0» запоминающего элемента. Отсутствие такого заряда, а значит открывание транзистора обычным рабочим напряжением, рассматривается как состояние «1».

После снятия программирующего напряжения заряд в области захвата (ловушке) может сохраняться длительное время (даже многие годы) до следующего репрограммирования.

ЛИЗМОП-транзистор (ЛИЗ – Лавинная Инжекция Заряда) программируется, функционирует и репрограммируется аналогичным образом. Только функцию ловушки заряда в нем выполняет так называемый плавающий затвор – специально созданная внутри однослойного диэлектрика (двуокиси кремния) проводящая область из поликристаллического кремния. Программирование осуществляется подачей на управляющий затвор, исток и сток транзистора высокого положительного напряжения. Лавинный пробой, возникающий при этом в обратно смещенных p-n-переходах, приводит к появлению электронов, способных преодолеть потенциальный барьер диэлектрической области и проникнуть в плавающий затвор. Заряд, оставшийся в плавающем затворе после снятия программирующего напряжения, создает непреодолимый для рабочего напряжения порог открывания транзистора.

Перед повторным программированием микросхем EPROM старая информация стирается. Осуществляется это либо воздействием на кристалл ультрафиолетовыми лучами через специальное окошко в корпусе микросхемы (UV EPROM), либо подачей на управляющие затворы транзисторов нулевого, а на стоки – высокого напряжения (EEPROM). Длительность процесса электрического стирания значительно меньше, чем ультрафиолетового. Кроме того, общее количество циклов репрограммирования EEPROM существенно превосходит этот показатель у UV EPROM и может исчисляться миллионами.

Полупостоянная память – это статическая память с малым энергопотреблением, питаемая при выключенном компьютере от батарейки. Самой экономичной является КМОП-память (CMOS Memory) со временем доступа более 100 нс, но очень малым энергопотреблением, что оправдывает ее применение для хранения информации о конфигурации компьютера и обеспечения часов-календаря (RTS – Real Time Clock).